換熱器熱管優化設計分析研究

張 望

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

概 要：本文針對熱管換熱器的熱管進行優化計算，得知換熱器的換熱效率會隨著厚度和內徑的增加而降低。當熱管的內徑和厚度發生變化時，材料的厚度和內徑將被限制，使其強度大于[σ]=3.5 kgf/mm2，以滿足強度校驗，得出在某個范圍內對熱管參數進行取值，換熱器整體的經濟性效益與換熱器外徑的換熱量的關系最優。

0 前言

現如今在煙氣余熱回收利用的方向，缺乏研究設計優化。如何去好好利用煙氣余熱提高經濟效益是一個值得研究的問題。雖然低溫煙氣的溫度低，但排煙量大，因此回收該部分煙氣對于熱量回收是有益的[1]。熱管換熱器中熱管擁有簡單的結構、低廉的成本和高效的換熱效果[2]，值得我們去探索用于低溫條件下的熱管換熱器的優化設計。

相較于中高溫煙氣余熱，低溫煙氣余熱的品質低，并且主要出現在各種民用鍋爐中，分布得極其分散，難以集中回收、排煙溫度較低，更容易造成腐蝕、傳熱端差造成的效率低等諸多方面的缺陷。因此，對于此類低溫煙氣余熱回收的工程設備中就要求換熱器具備傳熱效率高、阻力小、體積小、耐腐蝕、易維修、能適應小溫差傳熱的特點。

本文通過計算熱管內徑、厚度和外徑變化后的換熱器的換熱總量和換熱系數，得出低溫煙氣條件下熱管換熱器的優化設計方法，其中包括強度校驗和給定煙氣條件下的最低換熱總量的考慮，給換熱器優化設計提供一定的數據參考。

1 熱管換熱器基本參數

本文中熱管換熱器數據以《低溫煙氣余熱回收用氣-液收式熱管換熱器設計》中所設計換熱器為基準[3]，優化設計中所用的具體參數如表1所示。

表1 煙氣和熱管參數

由表1可知排煙溫度至160℃降低到110℃，可以計算出在此煙氣條件下至少需要的換熱量Q=37.15 KW。

2 熱管內徑和許用壓力

此熱管的許用壓力為28.5kg/cm2，在溫度為230℃的情況下，材質為鋼—水，由此有[σ]=3.5 kgf/mm2，由公式管徑和壓力關系[4]：PV=(δ×2[σ])/(d0-δ)， 管 壁中內徑加厚度等于外徑。根據已知管徑和壓力關系計算出壓力如表2所示。

表2 內徑di變化后的最低厚度取值變換

由表2的計算數據可知，當熱管內徑增大時對熱管的厚度要求就越大，為保證能達到許用壓力，在安全合規的范圍內運行。因此當試圖以提高管內徑來增大換熱效率時，應當注意熱管的厚度能否達到規范的要求，以保證安全運行。

3 熱管的換熱系數和換熱總量

當熱管內徑和厚度變化時，會使得熱管的外徑發生相應的數值變化，當外徑發生改變時，換熱器的換熱系數也隨之發生相應的變化。

換熱器在水側的換熱系數隨熱管內徑變化如表3所示。

從表3中數據有當熱管外徑增大時，單個熱管的換熱系數是趨向于減小的，由之前管徑和厚度的計算數據關系可知，當管徑選擇過大時，熱管的厚度也要增加，但隨之會造成換熱器的換熱系數下降的問題。但是，換熱器熱管管徑也不可選的過小，不然會影響效率，同時換熱的面積也會減小，影響換熱器的運行。

表3 外徑變化時換熱系數的變化

總的換熱量計算如下，影響換熱總量的不僅僅是換熱系數，還有管徑所影響的熱管在煙氣側的外表面積，具體影響效果如表4所示。

表4 總換熱量隨熱管外徑的變化

從圖中數據可知，為滿足設計的換熱量，最小熱管外徑不得過小，當熱管管徑縮小時容易節約經濟并且滿足換熱器的強度校核，但是換熱器在煙氣側的換熱面積卻難以滿足。當d0=0.0245時有Q=37.46＞37.15，因此，該規格外徑為滿足換熱器效率要求條件下的最低換熱器熱管外徑。

4 換熱器經濟性計算

以最近六月的碳鋼報價的平均數作為作為基準，為5146.66元每噸碳鋼的密度為ρ=7.85g/cm3從前文計算的結果，得知在滿足經濟性的條件下，熱管的厚度越薄越好，但是為滿足強度，厚度不可能太低。同時，為達到換熱系數的條件換熱器的外徑也不能過小。

假定換熱器外殼花費在熱變化的情況下變化不大，那么換熱器的主要耗材變化就體現在換熱器的熱管厚度變化上，如表5所示，當厚度在大于或等于δ=1.6mm以上時，能夠很好的滿足20至25的內徑需求，同時又能夠更好滿足換熱總量提升上對熱管外徑的需求。為簡化計算，此處忽略掉δ=1.5 mm以下的情況，僅考慮δ=1.6 ～2.0 mm、di=20～25 mm的情況。

由此通過計算熱管的體積得出在 根熱管的情況下的熱管材料總花費如表5所示（單位：元）。

表5 內徑和厚度變化下的理論花費

在圖中可明顯的看出，換熱器不論是內徑還是外徑的增大都會使得費用相對的增加，尤其是內徑的增加使得費用增加更為明顯。

但是，換熱器總換熱量也與換熱器的熱管內徑和外徑取值有著巨大的關聯。

從以上內容可知，最大換熱量條件下的換熱器外徑不一定是最合適的取值，由此可以得出，換熱器的取值在滿足設計要求的情況下盡可能的降低熱管內徑為最優。在這種情況下熱管具有更好的換熱能力。

在以上內容中，討論了換熱器經濟性設計中，厚度和內徑變化后的換熱器強度校核計算和換熱器總的換熱量的計算，在計算中有如下特點：

在強度校核中要求厚度足夠厚，在一定情況下熱管內徑越小強度就越好。

在換熱總量上要求熱管外徑越大則擁有越大的換熱總量。

在經濟性上要求換熱器的熱管盡量的小且盡量節省材料。

綜合思考下，優先滿足換熱器強度再考慮換熱器的總換熱量和材料的節省。

5 經濟效益上的優化

為了能將具體運算做簡化，且有一個直觀的運算邏輯，一般換熱器的使用年限根據材料和方向的不同而不一，由于此處換熱器使用低溫煙氣，換熱器極其容易被腐蝕，因此換熱器的使用年限應為四年。

此處假設加熱后的水用于供暖，則熱量的價格取決于熱水的給水量。此處取熱水價格為50元每升，同時根據計算的數據，水的比熱容為c3=4.2×103J·kg/℃，在此條件下可算出外徑變化下的可加熱水的水量如表6所示。

表6 隨換熱器外徑變化下的可加熱水的量

在該換熱量下，熱管外徑越大越好，直到換熱器材料成本可以覆蓋掉換熱器的設計成本。但是考慮到設備換熱器本身的換熱系數，根據前文的計算數據，在此取值為di=23mm、δ=1.5mm。在這個情況下，得到的可加熱水量所帶來的經濟效益如表7所示。

表7 換熱器的估計經濟效益

在實際的工程運用和實踐中，對應的使用年限下能夠產生的年經濟收益為20萬多元，基本和實際情況符合[5]。在一定程度下可以選取更厚的外徑，由此來得到更多的換熱量。但是在這種情況下又不得不去面對一個情況，即為了更高的換熱量增加外徑，也就意味著需要更高的質量流量，因此厚度必須在滿足換熱器強度的核算下，在增加厚度的同時使得換熱系數降低。

6 結論

在熱管換熱器的熱管設計中，熱管內徑、厚度和外徑影響著換熱效率和換熱總量，而強度校驗和換熱總量的計算限制著熱管的取值范圍。若要保證強度能通過校驗就要使厚度增大；若要保證換熱效率就要使厚度和外徑減小；若要保證換熱總量就要使熱管外徑增大從而獲得更多的熱量。在進行換熱總量的估算中，所要求的是換熱總量增高，當熱管換熱總量增加時，可在單位時間內進行更高的供熱，從而獲得更好的經濟效益，因此此處要求的熱管外徑要盡可能的增加，同時熱管內徑和厚度變化對造價影響不大。

從上述方面可知兩個不同的熱管設計方向，第一種優先考慮經濟性估算而不用過于考慮造價方面，即適當的增加熱管外徑以獲得更多的熱量。在滿足強度校驗的情況下，選取合適的厚度來獲得較優的換熱效率。第二種優先考慮換熱效率，此時厚度和內徑的取值要求就要偏小，但是必須滿足煙氣計算中的最低換熱效率。